初识Semaphore
- “信号量”,也可以称其为“信号灯”,它的存在就如同生活中的红绿灯一般,用来控制车辆的通行。在程序员眼中,线程就好比行驶的车辆,程序员就可以通过信号量去指定线程是否可以执行,并且可以指定访问临界区的线程数量;
信号量模型
- 信号量的模型很简单,有:一个计数器,一个等待队列,三个方法(init,down,up)。在该模型中,计数器与等待队列对外是透明的,只能去通过三个方法区访问。
三个方法详解:
- init():设置计数器的初始值(信号量是支持多个线程访问一个临界区的,所以可以通过设置计数器的初始值来控制线程访问临界资源的数量)
- down():计数器减一操作;如果此时计数器的值小于0,则当前线程被阻塞,否则当前线程可以继续执行。
- up():计数器加一操作;如果此时计数器的值小于或者等于 0,则唤醒等待队列中的一个线程,并将其从等待队列中移除。
注意:这里的三个方法均是原子操作。在Java SDK里,信号量是由java.util.concurrent.Semaphore实现的,Semaphore可以保证方其都是原子操作。并且在Java SDK并发包中,down()和up()对应的是acquire()和release()方法。
参考下面代码感受一下信号量模型:
class Semaphore{
// 计数器
int count;
// 等待队列
Queue queue;
// 初始化操作
Semaphore(int c){
this.count=c;
}
//
void down(){
this.count--;
if(this.count<0){
// 将当前线程插入等待队列
// 阻塞当前线程
}
}
void up(){
this.count++;
if(this.count<=0) {
// 移除等待队列中的某个线程 T
// 唤醒线程 T
}
}
}
关于信号量的使用
1. 如何互斥操作
正如开篇介绍信号量可以控制线程的执行,相当于互斥锁一样,控制单一线程对临界资源的访问。而限号量正是通过计数器来实现互斥规则的。
如下代码:
- 在进入临界区之前执行down()方法,退出前执行up()方法皆就可以了。在实例代码中acquire就相当于down方法,release相当于up方法;
static int count;
// 初始化信号量
static final Semaphore s
= new Semaphore(1);
// 用信号量保证互斥
static void addOne() {
s.acquire();
try {
count+=1;
} finally {
s.release();
}
}
信号量具体如何实现互斥?
- 比如现有两个线程 t1与t2,而我们规定在初始化计数器时将计数器设置为1,表明临界区只允许一个线程去访问。当两个线程同时访问addOne()方法时,两个线程同时执行acquire()方法,由于acquire()是一个原子操作,当t1将计数器值减为0,t2将计数器减为-1。对于t1而言,信号量的计数器值为0,满足大于等于0条件,所以t1会继续执行;对于t2而言,信号量里边的计数器为-1,小于0,按照down()操作的描述,t2会被阻塞。因此只有t1线程进入临界区执行count+=1操作。
- 当t1执行release()操作时,信号量里边的计数器会+1,此时为0,小于等于0,因此会将处于等待队列中的t2线程唤醒。于是t2在t1执行完临界代码之后进入到了临界区。从而保证了互斥性。
1. Semaphore如何实现多个线程访问一个临界区
Semaphore有一个独特的功能,就是可以允许多个线程访问一个临界区。这里就通过“快速实现一个限流器”来说明;
- 对象池:指的是一次性创建出 N 个对象,之后所有的线程重复利用这 N 个对象,当然对象在被释放前,也是不允许其他线程使用的。
- 这里的限流就是指不允许多余N个线程同时进入临界区
解决方法:在上一个例子中我们将计数器初始化为1,表示只允许一个线程进入临界区,现在我们将计数器设置为对象池中的对象个数N,表明在同一个时刻允许N个线程可以同时进入到临界区,就可以解决限流问题了;
思考:信号量在在执行release()方法后如果满足唤醒其他线程条件就会去唤醒一个线程继续执行,这里为什么不能去唤醒所有线程呢?
- 由于信号量没有Condition概念,当阻塞线程被唤醒会直接运行,不会去检查此时的临界条件是否满足,因此信号量只允许唤醒一个阻塞线程,否则就会出现缺少临界条件检查而带来的线程安全问题。